你的芯片，能抵挡住几次攻击？
时间：2021-08-19 16:29:22
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[导读]1.你的芯片安全吗？如果大家看过速度与激情这部电影，一定对下面这一幕有深刻的印象：黑客通过远程控制上千辆的僵尸车辆，去自动拦截抢夺握有核发射密码的人!然后掌控人类的命运。现实生活中可能没有电影里这么戏剧化，不过危机却在我们身边时刻不停地在上演。大品牌的电子产品被仿冒造成的损失是不...
1. 你的芯片安全吗？如果大家看过速度与激情这部电影，一定对下面这一幕有深刻的印象：黑客通过远程控制上千辆的僵尸车辆，去自动拦截抢夺握有核发射密码的人! 然后掌控人类的命运。现实生活中可能没有电影里这么戏剧化，不过危机却在我们身边时刻不停地在上演。大品牌的电子产品被仿冒造成的损失是不可估量的。同时，将来随着物联网，自动驾驶等技术的普及，其核心芯片的安全问题越来越重要，一旦被破解，遭受攻击，后果难以想象。然而，芯片的安全性确是大多数工程师往往忽略，或者说不太重视的问题。这里我们对芯片如何被破解进行一个简单的探讨，从而大家可以有针对性地采取一些防护手段。大家知道一个电子产品，硬件电路被复制是几乎没有什么难度的，即使打磨掉芯片上的字符。所以最关键的是获得芯片内部存储的代码，因为代码是整个系统运行的灵魂。现在大多数芯片都有加密位，在设置加密位后，通过编程工具是没有办法读出代码的。但我们不要低估了坏人的邪恶，他们会想尽种种办法来进行攻击。从总体上来说可以归结为两种方法：侵入式攻击和非侵入式攻击。如果用保险箱来比喻，盗取钥匙打开保险箱可以说是非侵入式攻击，拿电锯锯开保险箱就属于侵入式攻击了。2. 常用的攻击手段2.1 部分擦除加密后的芯片一般允许整体擦除(Mass Erase)。如果在整体擦除芯片时，控制擦除的时间，在刚刚好擦除掉加密位的时候停止(比如掉电)，那么芯片就被解密了。2.2 电压毛刺(Power Glitch)攻击是在芯片电源引脚故意输入毛刺，使得芯片运行受到影响，使其运行跳过某些指令或发生错误的操作，从而使芯片信息泄露。2.3 欠压，过压，时钟瞬态跳变利用欠压，过压，时钟的瞬态跳变，使芯片产生异常，影响芯片的正常执行，使保护电路失效。2.4 时序攻击(Timing Attack)代码在处理不同的数据，或走不同的流程时，时间上是不同的。时序攻击利用这一特点可以反推密钥。2.5 功率分析（SPA: Simple Power Analysis）芯片在运行不同的指令的时候，消耗的功率是不一样的。功率分析正是利用种特性，在代码运行密码相关运算时，用高分辨率功率测量仪器从外部测量芯片功率的变化，从而提取加密密钥。2.6 差分功率分析 DPA(Differential Power Analysis)在SPA的基础上，收集已有的密码运算时的功率变化数据，在多次统计的基础上进行分析。是比SPA更有效的攻击。2.7 硬解密这是最暴力，最不好防范的攻击方法。它用溶剂溶解芯片外面的壳体，把芯片暴露出来，然后用高倍显微镜和聚焦离子束 FIB(Focused Ion Beam)找到加密位置，把它改变为非加密状态，然后读出芯片内容，然后进行解密，反汇编。看了这些攻击手段，是不是开始出冷汗了呢？别担心，这只是一部分大家都熟悉的方法，哈哈。不过随着进攻之矛越来越锋利，防御之盾也越来越坚固。在讲防御办法前，我们先对相关的加密算法做一个简单的介绍吧。
3. 流行的加密算法3.1 哈希算法(Hash)它的作用是把任意长度的明文，通过单向加密函数，生成固定长度的信息摘要。如果明文发生变化，那么会引起信息摘要的变化。从信息摘要无法反推出明文。常用算法: MD5,SHA-1。3.2 对称加密算法(Symmetric Encryption)用相同的密钥进行加密和解密。如同一个保险柜，一个人用一把钥匙把文件锁进去，另一个人需要用相同的钥匙打开保险柜，才能看到文件里写的什么。这种算法的关键是密钥的保存，分发，防止非授权的人获得密钥。常用算法: DES, AES，RCx3.3 非对称加密算法(Asymmetric Encryption)所谓非对称指的是加密方和解密方使用的密钥不同。如同一个保险柜有两个门，一个是入口，一个是出口，用入口的钥匙只可以把明文放进去，用出口的钥匙可以把明文取出。这种算法带来的好处是可以把入口的钥匙公开出来(公钥)，大家都可以用公钥进行加密，但是除了掌管私钥的人，其他人是没有办法看到保险柜中的内容的。常用算法: RSA，ECC4. 加密算法的特点和安全性Hash 主要用于数字签名。据说最早的应用之一是美苏互相把地震仪放到对方，监控对方有没有进行核试验。双方对对方都不放心啊，所以用这种算法把数据做数字签名，大家都能看到数据，而且不能篡改。对称加密算法运算速度快，一般用来对大量数据加解密。公钥算法运算速度比较慢，消耗资源多。它常常在开始阶段用来分发对称算法使用的密钥，之后通讯切换到对称加解密算法。理论上所有加密算法都是可以被破解的，只是花费的时间和代价的问题。只有一种加密方法是完全无法破解的，那就是一次一密。加密者和解密者使用相同的密码本，密钥是真随机数，而且长度和明文相等，每一个明文字母用一个密钥字母加密成密文，密码本使用一次后既废弃。据说很多间谍就是用的这种加密方法。5. 如何保护芯片假如我们写了一份机密文件，怎样才能不被别人得到呢？首先想到的还是保险柜，我们可以把文件锁进保险柜里，当然保险柜有不同级别，有的还有监控功能，比如发现有人敲击，挪动，高温(切割)等就发出报警，或者把文件销毁。当然越高级的保险柜价格越高。再有就是我们把写的内容加密，即使间谍拿到了也看不懂。最后为了更保险，我们还可以把文件分为两份，分别锁进两个保险柜里。对于代码来说，也是类似的。把代码放入芯片后设置加密位，使别人无法读出；或者用芯片的唯一序列号用算法加密后存入特定地址，运行前做比对；或者把代码(或代码的一部分)加密后存入外部存储器，只发送给握有密钥的主芯片；这就会用到前面我们介绍的几种算法之一，或几种的组合。我们可以根据产品的价值来使用不同等级的保护方法。下面是一些从硬件到软件需要考虑的地方：a. 设置加密位。如果芯片支持则设置禁止整体擦除。b. 下载代码后把调试口禁止掉。c. 地址线和数据线打乱。用PAL,GAL,CPLD做映射。d. 尽量不用代码里的默认值，代码空间不留空白区域。如果猜测出一部分明文，将会导致破解变得容易。e. 在处理密码或数据时用混入随机数，插入指令等方法，使功耗变化尽量小，不同分支运行时间差别尽量小。防止时序和功率分析攻击。f. 加密尽量用长的密钥。g. 在选用 MCU 时，要考虑它是否有足够强的防破解能力。如 STM32L562的以下特性可以用来提高系统的防御能力：
- ARM TrustZone 内核
- 电压跌落检测 Brownout Reset
- 带入侵检测寄存器 Tamper and backup registers (TAMP)
- 支持安全启动 unique boot entry and hide protection area
- 主动入侵检测(Active tamper and protection against temperature, voltage and frequency attacks)
- 真随机数发生器(True random number generator NIST SP800- 90B compliant)
- 全球唯一序列号(96-bit Unique ID)
- 哈希算法加速器(HASH hardware accelerator)
- AES协处理器
- 公钥算法加速器(Public key accelerator)
参考资料：1.Applied Cryptograhpy, Bruce Schneier2.STM32L562 Datasheet
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